《金屬切削與機床》課件第14章

第14章特種加工及設備14.1電火花加工14.2電解加工14.3激光加工14.4精密及超精密加工

14.1電

火

花

加

工電火花加工中工具和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性火花放電；放電時局部瞬時所產(chǎn)生的高溫可把金屬蝕除下來。因為放電過程中能見到火花，故稱之為電火花加工。表14-1所列為電火花加工各種工藝方法的主要特點和用途。

表14-1電火花加工工藝方法分類表14-1電火花加工工藝方法分類14.1.1電火花加工原理

1．電火花加工原理電火花加工原理是基于工具和工件（正、負電極）之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達到對零件尺寸、形狀及表面質量所預定的加工要求。電火花放電時火花通道中瞬時產(chǎn)生大量的熱，達到很高的溫度，足以使任何金屬材料局部熔化、氣化而被蝕除掉，形成放電凹坑。要利用電腐蝕對金屬材料進行尺寸加工，需解決下列問題：

(1）必須使工具電極和工件被加工表面之間經(jīng)常保持一定的放電間隙。這一間隙隨加工條件而定，通常約為幾微米至幾百微米。如間隙過大，極間電壓不能擊穿極間介質，則不會產(chǎn)生火花放電。如果間隙過小，又很容易形成短路接觸，同樣也不能產(chǎn)生火花放電。為此，在電火花加工過程中必須具有工具電極的自動進給和調節(jié)裝置。

圖

14-1脈沖電源電壓波形

(2）火花放電必須是瞬時的脈沖性放電。放電延續(xù)一段時間后，需停歇一段時間，放電延續(xù)時間一般為10-7～10-3s。這樣可使放電所產(chǎn)生的熱量來不及傳導擴散，把每一次的放電蝕除點局限在很小的范圍內。否則，就會像電弧放電那樣使表面燒傷，而無法用作尺寸加工。為此，電火花加工必須采用脈沖電源。圖14-1為脈沖電源的空載電壓波形，圖中ti為脈沖寬度，t0為脈沖間隔，tp為脈沖周期，ui為脈沖峰值電壓或空載電壓。＾(3）火花放電必須在有一定絕緣性能的液體介質中進行，如煤油、皂化液或去離子水等。液體介質又稱工作液，必須具有較高的絕緣強度（103～107Ω·cm），以利于產(chǎn)生脈沖性的火花放電。同時，液體介質還能把電火花加工過程中產(chǎn)生的金屬小屑、炭黑等電蝕產(chǎn)物從放電間隙中懸浮排除出去，

并對電極和工件表面有較好的冷卻作用。

上述問題的綜合解決，可通過圖14-2所示的電火花加工系統(tǒng)實現(xiàn)。工件1與工具4分別與脈沖電源2的兩輸出端相聯(lián)接。自動進給調節(jié)裝置3使工具和工件間保持很小的放電間隙。當脈沖電壓加到兩極之間時，在當時條件下相對某一間隙最小處或絕緣強度最低處擊穿介質，產(chǎn)生火花放電，瞬時高溫使工具和工件表面蝕除掉一小部分金屬，各自形成一個小凹坑，如圖14-3所示。其中，圖14-3(a)表示單個脈沖放電后的電蝕坑，圖14－3(b)表示多次脈沖放電后的電極表面。脈沖放電結束后，經(jīng)過一段時間（脈沖間隔t0），使工作液恢復絕緣；第二個脈沖電壓又加到兩極上，又會在當時極間距離相對最近或絕緣強度最弱處擊穿放電，又電蝕出一個小凹坑。隨著高頻率、連續(xù)不斷地重復放電，工具電極不斷地向工件進給，就可將工具的形狀復制在工件上，加工出所需要的零件。圖14-2電火花加工原理示意圖圖14-3電火花加工表面局部放大圖

2．電火花加工的基本規(guī)律電火花加工的核心問題是放電腐蝕。它直接影響著加工的生產(chǎn)率、精度、表面質量和工具電極的損耗率等。電火花加工中，不僅工件被蝕除，工具電極也被蝕除。但兩極腐蝕程度不同，即使材料相同，其電蝕量也不等。這種因極性不同而電蝕量不等的現(xiàn)象被稱為極性效應，是影響放電腐蝕的重要因素。一般在短脈沖精加工時，常把工件接脈沖電源正極，工具接負極，即所謂“正極性”加工；長脈沖粗加工則采用“負極性”加工。生產(chǎn)中常用不同的電極材料提高其極性效應，以保證在較高的生產(chǎn)率條件下工具電極損耗較少。

1）生產(chǎn)率生產(chǎn)率是指在一定電標準下單位時間內工件材料的蝕除量，通常以mm3／min計量。生產(chǎn)率主要受電參數(shù)、電極材料及工作液的影響。

2）加工精度影響加工精度的主要因素是放電間隙的大小及其一致性、工具電極的損耗及其穩(wěn)定性等。工具電極和工件表面之間必須經(jīng)常保持一定的合理間隙。一般精加工時放電間隙只有0.01mm（單面），而粗加工時則可達0.5mm以上。圖14-4電火花加工時的加工斜度

“二次放電”是指已加工表面上由于電蝕產(chǎn)物等的介入而再次非正常放電。這也是影響電火花加工形狀精度的重要因素，它集中表現(xiàn)在加工深度方向產(chǎn)生斜度和加工棱角邊變鈍等方面，如圖14-4所示。此外，工件的安裝、定位誤差及機床的運動誤差都會影響加工精度。電火花加工過程是工具電極在工件上的復制過程，因此工具電極的形狀和尺寸誤差將直接影響工件的加工精度。

3）表面質量表面質量是指表面粗糙度和表面層的化學物理力學性能。影響表面粗糙度的主要因素是單個脈沖量的大小，采用強的電規(guī)準可使加工速度提高，但每個脈沖加工的凹坑較深，工件的表面粗糙度值增大。另外，工件表面粗糙度值與生產(chǎn)率之間存在著很大的矛盾，如表面粗糙度Ra從2.5μm降到1.25μm，生產(chǎn)率要下降10多倍。因此，恰當?shù)剡x擇加工后的工件表面粗糙度值也是個重要問題。

4）電規(guī)準電規(guī)準是指電火花加工中用到的一組電參數(shù)。按加工精度和表面粗糙度的不同，電規(guī)準可分為粗、中、精三種。粗規(guī)準多指加工表面粗糙度Ra大于6.3μm，加工精度低，生產(chǎn)率高；精規(guī)準多指加工表面粗糙度Ra小于0.8μm，加工精度高，生產(chǎn)率低；中規(guī)準介于粗、精規(guī)準之間，加工表面的表面粗糙度Ra為6.3～1.6μm。

5）工具電極材料工具電極材料對加工質量影響很大，必須設法減少它的損耗。工具材料應具有高導電性，在加工中能保持正確的幾何形狀，并使其尺寸穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，來源豐富，價格便宜，易于制造，具有一定的強度和剛度。

3．電火花加工的特點

(1)電火花加工適合加工難切削材料。由于加工中靠放電時電熱的作用實現(xiàn)材料的去除，因而材料的可加工性主要取決材料的導電性及其熱學特性，如熔點、沸點、比熱容、熱導率、電阻率等，幾乎與其力學性能（硬度、強度等）無關。這樣就可突破傳統(tǒng)切削加工對刀具的限制，實現(xiàn)用軟的工具加工硬韌的工件，甚至可加工如聚晶金剛石、立方氮化硼一類的超硬材料。

(2)電火花加工適合加工特殊及復雜形狀的零件。由于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機械加工中宏觀的切削力，因此適宜低剛度工件的加工及微細加工。由于可以簡單地將工具電極的形狀復制到工件上，因此特別適用復雜表面形狀（如復雜型腔模具）的加工。

(3)電火花加工適合加工金屬等導電材料。由于其加工速度較慢，故通常安排工藝時多采用切削去除大部分余量，然后再進行電火花加工，以提高生產(chǎn)率。14.1.2電火花加工機床電火花加工的機床比較定型,須由專業(yè)工廠從事生產(chǎn)制造。按工具與工件相對運動的特點和用途等可分為六大類,其中應用最廣,數(shù)量較多的是電火花穿孔成型機床和電火花線切割機床。1.電火花穿孔成型機床圖14-5為電火花穿孔成型加工機床示意圖。該機床主要由主機（包括自動調節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構）、脈沖電源、自動進給調節(jié)系統(tǒng)、工作液凈化及循環(huán)系統(tǒng)等幾部分組成。圖14-5電火花穿孔成型加工機床

1)機床布局主機主要包括主軸頭、床身、立柱、工作臺及工作液槽等。圖14-5(a)為分離式；圖14-5(b)為整體式，即油箱與電源箱放入機床內部。床身和立柱是機床的主要結構件，要有足夠的剛度。工作臺面與立柱導軌應有一定的垂直度要求和較好的精度保持性，導軌具有良好的耐磨性和充分消除材料內應力等。作縱橫向移動的工作臺一般都帶有坐標裝置。常用刻度手輪來調整位置，隨著加工精度的提高，可采用光學坐標讀數(shù)裝置、磁尺數(shù)顯等裝置。

2)主軸頭主軸頭是電火花成型機床中最為關鍵的部件，是自動調節(jié)系統(tǒng)中的執(zhí)行機構，對加工工藝指標影響極大。主軸頭主要由進給系統(tǒng)、導向防扭機構、電極裝夾及其調節(jié)環(huán)節(jié)組成。主軸頭應結構簡單、傳動鏈短、熱變形小、具有足夠的精度和剛度，以適應自動調節(jié)系統(tǒng)的慣性小、靈敏度高、能承受一定負載的要求。

3)工具電極夾具工具電極的裝夾及其調節(jié)裝置的形式很多，其作用是調節(jié)工具電極和工作臺的垂直度以及調節(jié)工具電極在水平面內微量的扭轉角。常用的有十字鉸鏈式和球面鉸鏈式工具電極夾具。

4)工作液循環(huán)、過濾系統(tǒng)工作液循環(huán)、過濾系統(tǒng)包括工作液（煤油）箱、電動機、泵、過濾裝置、工作液槽、油杯、管道、閥門以及測量儀表等。放電間隙中的電蝕產(chǎn)物除了靠自然擴散、定期抬刀以及使工具電極附加振動等排除外，常采用強迫循環(huán)的辦法加以排除。圖14－6為工作液強迫循環(huán)的兩種方式。圖(a)、(b)為沖油式，較易實現(xiàn)，排屑沖刷能力強，一般常采用，但電蝕產(chǎn)物仍通過已加工區(qū)，對加工精度稍有影響；圖(c)、(d)為抽油式，在加工過程中，分解出來的氣體（H2、C2H2等）易積聚在抽油回路的死角處，遇電火花引燃會爆炸而“放炮”，因此一般用得較少，但在小間隙、精加工時也有使用。工作液凈化、過濾的具體方法有如下幾種：

(1）自然沉淀法。這種方法速度慢、周期長，只用于單件小用量或精微加工。

(2）介質過濾法。此法常用黃砂、木屑、棉紗頭、過濾紙、硅藻土、活性碳等為過濾介質。對中小型工件、加工用量不大時，一般能滿足過濾要求，也可就地取材，因地制宜。其中，專用紙過濾裝置效率較高，性能較好。

(3）高壓靜電過濾、離心過濾法等。這些方法在技術上比較復雜，較少采用。圖14-6工作液強迫循環(huán)方式(a）、(b）沖油式;(c）、(d）抽油式2.電火花線切割機床1)電火花數(shù)控線切割機床的工作原理圖14-7所示為電火花數(shù)控線切割機床的工作原理圖。被切割的材料和金屬絲分別接在脈沖電源7的正、負極。在兩極之間沿金屬絲方向噴射充分的、具有絕緣性能的工作液。當工件5接近金屬絲4距離小到一定程度時,在脈沖電壓的作用下,工作液被擊穿。在金屬絲和工件之間形成瞬時放電通道,產(chǎn)生瞬時高溫,使工件材料局部熔化甚至氣化而被蝕除。在脈沖電壓的作用下連續(xù)重復上述過程,即可連續(xù)切割加工。圖14-7電火花數(shù)控線切割機床工作原理2)電火花數(shù)控線切割機床的組成圖14-8所示為電火花數(shù)控線切割機床外形圖,主要由主機、高頻脈沖電源、數(shù)控裝置和工作液循環(huán)系統(tǒng)組成。圖14-8電火花線切割機床外形圖(1)機床主機由床身、工作臺、絲架和運絲機構組成。床身仍支承著工作臺、絲架和運絲機構,其內部裝有高頻電源,工作液循環(huán)系統(tǒng)和機床電器等。工作臺由上下滑板構成。下滑板9、上滑板8分別沿X、Y坐標軸方向移動。上滑板上裝有工件安放架6,X、Y坐標軸分別由兩個步進電動機10、12驅動。絲架4可使切割工件的那部分電極絲始終與工作臺平面垂直(僅對二維線切割機而言)。運絲機構由電動機、儲絲筒3和小滑板14等組成(2)數(shù)控裝置的作用是將圖樣上工件的形狀和尺寸參數(shù)編制成線切割程序指令,然后通過指令控制并驅動伺服電動機帶動精密絲杠螺母副,使工件相對電極絲運動,從而實現(xiàn)加工過程的自動控制。(3)高頻脈沖電源可將50Hz交流電轉換成單向高頻脈沖電流,作為火花放電電源。高頻脈沖電源有電子管式和晶體管式兩種。因晶體管式電源具有體積小、質量輕、壽命長、不需加熱、功率損耗小等優(yōu)點,故被廣泛應用。(4)工作液循環(huán)系統(tǒng)由工作液、儲藏箱、高壓泵、導管和噴嘴等組成。高壓泵可強迫清潔液以一定的壓力不斷地通過放電間隙。工作液起絕緣、排屑、冷卻的作用。每次脈沖放電后,工件與金屬絲間迅速恢復絕緣狀態(tài),以便產(chǎn)生下一次脈沖放電。否則,將形成持續(xù)的電弧放電而影響加工質量。14.2電解加工14.2.1電解加工的原理與規(guī)律

1．電解加工的基本原理

電解加工是利用金屬在電解液中可以產(chǎn)生陽極溶解的電化學原理進行加工。電解加工是在電拋光基礎上發(fā)展起來的，其加工原理如圖15-7所示。加工時工件2連接于直流電源5的正極（陽極），工具1連接于直流電源5的負極（陰極）。兩極之間的電壓一般為低電壓（5～25V）。兩極之間保持一定的間隙（0.1～0.8mm）。電解液4以較高的速度（5～60m／s）流過，使兩極間形成導電通路，并產(chǎn)生電流。于是，工件被加工表面的金屬材料不斷地產(chǎn)生電化學反應而溶解到電解液中，電解的產(chǎn)物則被電解液帶走。加工過程中，工具陰極不斷地向工件恒速進給，工件的金屬不斷被熔解，使工件與工具各處的間隙趨于一致。工具陰極的形狀尺寸將復印在工件上，從而得到所需要的零件形狀。圖14-9電解加工示意圖電解加工成形原理如圖14-10所示。電解加工剛開始時，工件毛坯的形狀不同，電解之間間隙不相等，如圖14-10(a)所示。間隙小的地方電場強度高，電流密度大（圖中豎線稠密處），金屬熔解速度快；反之，工具與工件較遠處加工速度就慢。隨著工具不斷向工件進給，陽極表面的形狀就逐漸與陰極形狀相近，間隙大致相同，電流密度趨于一致，如圖14-10(b)所示。電解加工時,工件和工具都浸在電解液中,接通電源后電極和電解液中就有電流通過,如圖14-11所示。圖14-10電解加工成形原理圖14-11陽極溶解原理

NaCl是一種強電解質，溶于水后幾乎全部被電解，氯化鈉分子電離為正的鈉離子和負的氯離子；水是一種弱的電解質，但仍有少量電解。其化學反應式為外加直流電源使工件（鋼鐵材料）為陽極，工具（銅材）為陰極。通電后，溶液在電場力的作用下負離子Cl-、OH-向陽極移動，而陽極表面的鐵原子在電源正電壓作用下放出電子，正離子Fe2+進入電解液中與負離子OH-化合反應生成Fe(OH)2。由于它在水溶液中的溶解度很小，故生成沉淀而離開反應系統(tǒng)，

即

Fe-2e→Fe2+

Fe2++2(OH)→Fe(OH-)2↓

沉淀為墨綠色的絮狀物，隨著電解液的流動而被帶走。Fe(OH)2又逐漸被電解液及空氣中的O2氧化為Fe(OH)3，即

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓

Fe(OH)3為黃褐色沉淀（鐵銹）。溶液中的正離子Na+、H+向陰極移動，由于H+得到電子的能力比Na+強，故在陰極得到電子還原為氫原子，進而結合成氫氣放出，

其還原反應式為

2H++2e→2H→H2↑

2．電解加工的特點及應用

1）電解加工的特點（1）加工范圍廣。電解加工能加工各種高強度、高硬度、高韌性的導電材料，如硬質合金、淬硬鋼、耐熱合金等難加工材料。（2）生產(chǎn)效率高。電解加工是特種加工中材料去除速度最快的方法之一，約為電火花加工的5～10倍。

（3）加工過程中無機械切削力和切削熱。因為沒有力與熱給工件帶來變形，所以電解加工可以加工剛性差的薄壁零件。由于加工表面無殘余應力和毛刺，故電解加工能獲得較小的表面粗糙度值（一般Ra為1.25～0.2μm）和一定的加工精度（平均尺寸誤差約為±0.1mm）。（4）加工過程中，工具陰極理論上無損耗，可長期使用并保持其精度。（5）電解加工不需要復雜的成形運動就可加工復雜的空間曲面，而且不會像傳統(tǒng)機械加工（如銑削）那樣留下條紋痕跡。

（6）不能加工非導電材料，較難加工窄縫、小孔及尖角。（7）復雜表面的工具電極的設計與制造比較難，不利于單件、小批生產(chǎn)。（8）用電解加工制造出來的工件其疲勞強度約降低10％～20％，因此，對疲勞強度要求較高的工件，需用噴丸硬化來恢復強度。

（9）電解加工附屬設備較多，占地面積大，投資大，且設備易腐蝕和生銹，需采取一定的防護措施。（10）

電解加工的加工缺陷主要有空蝕、產(chǎn)生亮點、加工精度低等。

2）電解加工的應用電解加工主要用于切削加工較為困難的領域，如難加工材料、形狀復雜的表面、剛性較差的薄板等。常用的有電解穿孔、電解成形、電解去毛刺、電解切割、電解拋光和電解刻印等。

圖14-12列出了幾種電解加工的應用。

圖14-12電解加工的應用(a)成形車削;(b)薄板上鉆型孔;(c)鉆深孔;(d)銑削

（1）電解穿孔。對于一些形狀復雜、尺寸較小的型孔（四方、六方、橢圓、半圓等形狀的通孔和盲孔），可方便地采用電解加工。電解穿孔已廣泛應用于槍、炮管內孔和膛線（來復線）等的加工。型孔加工大多采用單面進給方式，為避免形成錐度，陰極（工具）側面必須絕緣。一般用環(huán)氧樹脂作為絕緣層與陰極側面粘牢，

如圖14-13所示。

圖

14-13單面進給式型孔加工示意圖

（2）電解成形。電解加工可以使用成形陰極（工具）對復雜工件型腔一次成形，生產(chǎn)率高，表面粗糙度值?。坏浼庸ぞ炔蝗珉娀鸹庸さ母?，易受電場、流場、電解液狀態(tài)及進給速度等影響。生產(chǎn)中常根據(jù)均勻間隙理論初步設計工具形狀，然后通過多次試驗修正以達到精度要求。目前該方法多用于鍛模型腔加工，尺寸精度可控制在0.1～0.2mm范圍內。圖14-14即為連桿型腔模的電解加工示意圖。

（3）電解去毛刺。電解去毛刺時，電極靜止不動，把工件絕緣起來，僅讓有毛刺的部分露出，用與工件形狀相應的工具把毛刺蝕除掉。由于電解去毛刺可大大提高工效和節(jié)省費用，并可減少對已加工表面的損壞，故廣泛應用于汽車、拖拉機等大批量生產(chǎn)中。圖14-15即為齒輪的電解去毛刺示意圖。

圖

14-14連桿型腔模的電解加工

圖

14-15齒輪的電解去毛刺

3．電解加工的基本規(guī)律影響電解加工生產(chǎn)率的因素主要有電量和加工間隙兩個方面。電解時電極上溶解或析出物質的量（質量或體積）與電解電流大小和電解時間成正比，亦即與電量成正比，即所謂法拉第電解定律。電解加工時某處的蝕除速度與該處的電流密度成正比，電流密度越高，生產(chǎn)率也越高。電解加工時平均電流密度約為10～100A/cm2。若電流密度過高，將會出現(xiàn)火花放電，析出氯、氧等氣體，并使電解液溫度過高，甚至在間隙內會造成沸騰汽化而引起局部短路。電極間隙越小，電解液的電阻也越小，電流密度就越大，因此蝕除速度越高，生產(chǎn)率越高，即蝕除速度與電極間隙成雙曲線反比關系。圖14-16為不同電壓時蝕除速度va與加工間隙ΔL之間的雙曲線圖形。圖14-16va與ΔL間的雙曲線關系加工間隙的大小不僅影響蝕除速度，更主要的是影響工件尺寸和成形精度。電解加工中，加工間隙往往受到進給速度的影響。假定電解加工剛開始的起始間隙為ΔL0，如果陰極固定不動，則加工間隙會因工件有蝕除而逐漸增加，從而反過來會使蝕除速度逐漸減小，因此陰極應以一定速度向工件進給才能維持正常加工。若陰極以恒定速度vf進給，則加工間隙逐漸減小，蝕除速度將相應增大，隨著時間的推移，總會出現(xiàn)工件的蝕除速度va與陰極的進給速度vf相等而達到動態(tài)平衡的情況。此時的加工間隙將穩(wěn)定不變，稱之為平衡間隙ΔLb。平衡間隙一般為0.12～0.8mm，比較合適的為0.25～0.3mm左右。實際上的平衡間隙主要取決于選用的電壓和進給速度。14.2.2電解加工的基本設備

1．直流電源電解加工中常用的直流電源為硅整流電源及可控硅整流電源。在硅整流電源中，首先用變壓器把380V交流電變?yōu)榈碗妷旱慕涣麟?，而后再?CZ型的大功率硅二極管將交流整成直流。生產(chǎn)中采用扼流式飽和電抗器調壓、自飽和式電抗器調壓及可控硅調壓等。為了進一步提高電解加工精度，常采用脈沖電流電解加工，這時需采用脈沖電源。由于電解加工多采用大電流，因而大都采用可控硅脈沖電源。

2．機床電解加工機床的功能是安裝夾具、工件和陰極工具，并實現(xiàn)相對運動、傳送直流電和電解液。機床的形式主要有臥式和立式兩類。臥式機床主要用于加工葉片、深孔及其它長筒形零件。立式機床主要用于加工模具、齒輪、型孔、短的花鍵等。電解加工機床目前大多采用機電傳動方式，也有采用交流電動機經(jīng)變速機構實現(xiàn)機械進給的,目前大多數(shù)采用伺服電動機或直流電動機無級調速的進給系統(tǒng)。電解加工中的進給速度比較低，需要降速的變速機構。由于降速比較大，故行星減速器、諧波減速器在電解加工機床中被更多地采用。為了保證進給系統(tǒng)的靈敏性，使低速進給時不發(fā)生爬行現(xiàn)象，故廣泛地采用滾珠絲杠傳動和滾動導軌。

對長期與電解液及其腐蝕性氣體接觸部分，如電解加工機床的工作臺、工作箱、夾具等部分，使用了耐腐蝕材料。目前采用的主要材料是不銹鋼、銅及耐腐蝕的塑料。電解加工機床的其它部分，都采用了耐腐蝕材料。如花崗石、耐蝕水泥制造的床身和立柱；各部件表面噴涂環(huán)氧樹脂等耐腐蝕塑料進行保護等。

3．電解液系統(tǒng)

電解液系統(tǒng)是電解加工設備中不可缺少的一個組成部分。它的主要功能是使電解液產(chǎn)生強力循環(huán)，沖走工具和工件間的電解產(chǎn)物，有利于電解的連續(xù)加工。電解液系統(tǒng)主要由泵、

電解液槽、過濾裝置、管道和閥門等組成，如圖14-17所示

圖

14-17電解液系統(tǒng)示意圖

14.3激

光

加

工14.3.1激光加工的原理與規(guī)律

1．激光加工的基本原理圖14-18為激光加工示意圖。激光加工是利用激光器發(fā)射出來的具有高方向性和高亮度的激光，通過光學系統(tǒng)把激光束聚焦成一個極小的光斑（直徑僅有幾微米或幾十微米），使光斑處獲得極高的能量密度（107～1011W/cm2），達到上萬攝氏度的高溫，從而能在很短時間內使各種物質熔化和汽化，達到蝕除工件材料的目的。

圖

14-18激光加工示意圖

激光加工是一個高溫過程。就其機理而言，一般認為當能量密度極高的激光照射在被加工表面時，光能被加工表面吸收并轉換成熱能，使照射斑點的局部區(qū)域迅速熔化甚至汽化蒸發(fā)，并形成小凹坑；同時開始熱擴散，結果使斑點周圍金屬熔化，隨著激光能量的繼續(xù)吸收，凹坑中金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增加，熔融物被爆炸性地高速噴射出來。其噴射所產(chǎn)生的反沖壓力又在工件內部形成一個方向性很強的沖擊波。工件材料在高溫熔融和沖擊波作用下，蝕除了部分物質，從而打出一個具有一定錐度的小孔。

2．激光加工的基本規(guī)律

盡管激光具有高方向性并近似平行光束，但它仍具有一定的發(fā)散角（約為10-3rad）。這使得激光經(jīng)聚焦物鏡聚集在焦點面上后形成仍有一定直徑的小斑點，且其能量在小斑點的分布是不均勻的，而是按貝賽函數(shù)分布的，如圖14-19所示。在光斑中心處光強度I0最大，相應能量密度最高，遠離中心點的地方就逐漸減弱。而激光的波長和焦距直接影響光斑面積大小，即影響焦點中心處最大光強。激光加工是一種熱加工，加工過程中有熱傳導損失，因此，增大激光束的功率也是增大焦點中心強度的主要措施。可見，影響激光加工的因素主要有激光器的輸出功率、焦距和焦點位置、光斑內能量分布及工件吸光特性等。

圖

14-19焦點面上的光強度分布

焦點位置對于孔的形狀和深度都有很大影響。當焦點位置很低時,透過工件表面的光斑面積很大,這不僅會產(chǎn)生較大的喇叭口,而且會因能量密度減小而影響加工深度,即增大了錐度,如圖14-20(a)所示。當焦點逐漸提高時,孔深增加;但若太高時,同樣會使工件表面上光斑很大而導致蝕除面積大,深度淺,如圖14-20(d)、(e)所示。一般激光的實際焦點在工件的表面或略微低于工件表面為宜,如圖14-20(b)、(c)所示。圖

14-20焦點位置對孔剖面形狀的影響

光斑內的能量分布狀態(tài)也是影響激光加工的重要因素,能量分布以焦點為軸心越對稱,如圖14-21(a)所示,加工出的孔效果就越好;越不對稱,效果越差,如圖14-21(b)所示。光的強度分布與工作物質的光學均勻性及諧振腔調整精度直接相關。圖

14-21激光能量分布與孔加工質量

3．激光加工的應用

1）激光打孔激光打孔是激光加工中應用最早和應用最廣泛的一種加工方法。利用凸鏡將激光在工件上聚焦，焦點處的高溫使材料瞬時熔化、汽化、蒸發(fā)，好像一個微型爆炸。汽化物質以超音速噴射出來，它的反沖擊力在工件內部形成一個向后的沖擊波，在此作用下將孔打出。激光打孔速度極快，效率極高。如用激光給手表的紅寶石軸承打孔，每秒可加工14～16個，合格率達99％。

2）激光切割激光切割與激光打孔原理基本相同，也是將激光能量聚集到很微小的范圍內把工件燒穿。但切割時需移動工件或激光束（一般移動工件），沿切口連續(xù)打一排小孔即可把工件割開。激光可以切割金屬、陶瓷、半導體、布、紙、橡膠、木材等，其切縫窄、效率高、操作方便。

3）激光焊接激光焊接與激光打孔原理稍有不同，焊接時不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蝕除。而只要將工件的加工區(qū)燒熔，使其粘合在一起。因此，所需能量密度較低，可用小功率激光器。與其它焊接相比，激光焊接具有焊接時間短、效率高、無噴渣、被焊材料不易氧化、熱影響區(qū)小等特點。激光焊接不僅能焊接同種材料，而且可以焊接不同種類的材料，

甚至可以焊接金屬與非金屬材料。

4）激光的表面熱處理激光的表面熱處理是利用激光對金屬工件表面進行掃描，從而引起工件表面金相組織發(fā)生變化，進而對工件表面進行表面淬火、粉末粘合等。用激光進行表面淬火，工件表層的加熱速度極快，內部受熱極少，工件不產(chǎn)生熱變形，特別適合于對齒輪、汽缸筒等形狀復雜的零件進行表面淬火。同時由于不必用加熱爐，故也適合于大型零件的表面淬火。粉末粘合是在工件表層上用激光加熱后熔入其它元素，可提高和改善工件的綜合力學性能。

4．激光加工的主要特點激光也是一種光，其除了具有光的一般特性（如反射、折射、繞射及干涉等）外，還具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特點，這四大優(yōu)異特性給激光加工帶來了其它方法所不具備的可貴特點：

(1）加工方法多,適應性強。在同一臺設備上可完成切割、焊接、表面處理、打孔等多種加工；既可分步加工，又可幾個工位同時加工?？杉庸じ哂捕?、高熔點、高強度及脆性、

柔性等各種材料?？稍诖髿庵屑庸ぃ部稍谡婵罩屑庸?。

(2）加工精度高，質量好。對微型陀螺轉子，采用激光動平衡技術，其平衡精度可達百分之一或千分之幾微米的質量偏心值。由于高能量密度和非接觸式加工，以及作用時間短，故工件熱變形??；無機械變形，對精密小零件的加工非常有利。

(3）加工效率高，經(jīng)濟效益好。在某些情況下，用激光切割可提高效率8～10倍；用激光進行深溶焊接的生產(chǎn)效率要比傳統(tǒng)方式提高30倍。用激光微調薄膜電阻，可提高工效1000倍，提高精度1～2個量級。用激光強化電鍍，其金屬沉積率可提高1000倍。金剛石拉絲模用機械方法打孔需要24h，激光打孔只需2s,提高工效43200倍。與其它打孔方法相比，激光打孔的費用可節(jié)省25%～75%，間接加工費用可節(jié)省50%～75%。與其它切割方法相比，激光切割鋼材可降低費用70%～90%。

(4）節(jié)約能源與材料，無公害與污染。激光束的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的10～1000倍。激光束不產(chǎn)生像電子束那樣的射線，無加工污染。

(5）加工用的是激光束，無“刀具”磨損及切削力影響的問題。激光加工是利用激光束與物質相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進行微加工的技術。

14.3.2激光加工機床

1.激光加工機床的組成激光加工機床包括激光器、電源、光學系統(tǒng)及機械系統(tǒng)等四大部分，如圖14-22所示。

1）激光器激光器是激光加工的重要設備，其作用是把電能轉變?yōu)楣饽堋．敼ぷ魑镔|受到氙燈3發(fā)出的光能激發(fā)時，產(chǎn)生激光，并通過兩塊平行的全反射鏡1、6和部分反射鏡4之間多次來回反射，互相激發(fā)，迅速反射放大，并通過部分反射鏡和光闌5輸出激光。

圖14-22激光加工裝置示意圖

2）激光器電源激光器電源為激光器提供所需的能量，包括電壓控制、時間控制、儲能電容及觸發(fā)器等。

3）光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)的作用在于把激光引向聚焦物鏡7，調整聚焦點位置，使激光以小光點打到工件8上。它由顯微鏡瞄準，加工位置可在投影儀上顯示。

4）機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)包括床身、工作臺、機電控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。床身為固定各部件的基準。工作臺能在三坐標范圍內移動，以調整加工位置。機電系統(tǒng)為機床的電器操縱部分，控制加工過程。冷卻系統(tǒng)是用循環(huán)水冷卻激光器，以防其過熱。

2．常用激光器

按工作物質可分為固體、氣體、液體、半導體、化學激光器等；按工作方式可分為連續(xù)、脈沖、突變、超短脈沖激光器等。激光加工常用固體激光器。表14-2是激光器按工作物質分類的情況。

表

14-2激光器的種類(按工作物質分)圖

14-23紅寶石激光器結構示意圖

1）工作物質只有能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的物質才能作為激光器的工作物質。并不是每種物質都能在外界激勵下實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，主要看該物質是否具有合適的能級結構。在紅寶石激光器中，其工作物質是一根紅寶石晶體棒，棒的兩端嚴格平行且垂直于棒軸。

2）諧振腔諧振腔的主要作用是使工作物質所產(chǎn)生的受激發(fā)射能建立起穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)，從而實現(xiàn)光放大。它由兩塊反射鏡（一塊為全反射鏡，另一塊為部分反射鏡）組成，各置于工作物質的一端，

并與工作物質軸線垂直。

3）激勵能源激勵能源的作用是把工作物質中多余一半的原子從低能級激發(fā)到高能級上，實現(xiàn)工作物質粒子數(shù)反轉。其方法有電激發(fā)、光激發(fā)、熱激發(fā)和化學激發(fā)等。紅寶石激光器是以脈沖氙燈、電源及聚光器為激勵能源，聚光器是橢圓柱形的，其內表面具有高反射率，脈沖氙燈和紅寶石晶體棒處于它的兩條焦線上。

14.4精密及超精密加工14.4.1精密及超精密加工概述

1．精密及超精密加工的概念精密加工是指加工精度和表面質量達到很高程度的加工工藝。超精密加工是指加工精度和表面質量達到極高程度的精密加工工藝。過去的超精密加工在今天可能就是精密或一般加工。精密加工和超精密加工的界限將隨著科學技術的進步而逐漸向前推移。按我國目前的加工水平，一般加工、精密加工和超精密加工可劃分如下：